圆锥过渡阶梯形变幅杆设计及超声粉碎实验研究

摘要

超声振动粉碎颗粒是利用超声波的高频振动和高能量密度等特点，通过超声变幅杆进行扩大振幅并将能量聚集，进而撞击碾压颗粒，从而达到粉碎颗粒目的。本文主要利用超声振动粉碎颗粒，设计相匹配的圆锥过渡阶梯形变幅杆，验证了超声振动粉碎的可行性，对颗粒的粉碎具有一定研究价值和意义。
　　本文通过设计超声粉碎系统，包括核心元件圆锥过渡阶梯形变幅杆的设计和模拟分析，来进行硅砂等颗粒粉碎的实验研究，最后证明超声粉碎可行性和合理性。超声波发生器产生超声波，经由超声换能器将高频电功率转换成机械功率，然后由圆锥过渡阶梯形变幅杆放大振幅提高振速比，对物料槽孔内的颗粒进行粉碎作用。超声粉碎装置包含微调机构部分，可对粉碎区域的高度进行微调，保证了一定粒度范围的颗粒的粉碎；装置中有挡圈装置，方便粉碎后粉体的收集。该超声粉碎方式为干式粉碎，主要适用于粉碎一些硬脆性、易磨性的物料。
　　本文研究超声振动粉碎颗粒，主要完成以下几部分的工作：
　　（1）概述粉体在生活中的重要性，在各领域得到广泛应用，具有广阔发展的前景；阐述超声加工技术在国内外的发展现状和应用范围，在一些领域里取得的新进展；利用超声振动来粉碎颗粒具有一定研究价值和深远意义。
　　（2）探究粉体物料的相关性质，包括几何性质和物理力学性质等；阐述粒度分布规律，利用激光粒度分布仪对颗粒粒度测定及阐明原理；探究粉体颗粒的相关粉碎机理，包括粉碎方式和模型、粉碎力学性能、粉碎功耗学说和单颗粒粉碎机理等。
　　（3）对超声粉碎系统设计分析，包括圆锥过渡阶梯形变幅杆的设计和ANSYS模拟分析。设计超声粉碎装置并对一些重要零部件进行分析，阐明其工作原理和运动原理，探究装置粉碎的过程和机理。
　　（4）利用解析法，对圆锥过渡阶梯形超声变幅杆的节点位置、放大系数等相关参数的理论值进行计算。利用ANSYS软件对圆锥过渡阶梯形超声变幅杆进行模拟分析，通过建立模型、网格划分、谐响应分析和模态分析等对变幅杆相关参数进行求解，得到ANSYS的参数模拟值。变幅杆的模拟值、理论值和实测值三者较为接近，验证ANSYS方法对变幅杆模拟分析的合理性，同时也提供了新途径。
　　（5）对颗粒粉碎进行数学建模；利用超声粉碎系统进行粉碎实验研究。通过测定几个特定的不同时间节点硅砂颗粒的粒径体积分数D95，其值不断减小，证明利用圆锥过渡阶梯形变幅杆的超声粉碎装置粉碎颗粒是切实可行的。通过控制变量的方法，分别改变实验中超声换能器的功率、粉碎不同性质的物料、变幅杆类型等实验参数，探究粉碎效果与实验条件的关系。